CN101478504B - 实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关及方法。它是主流光纤接入网—以太无源光网及有线电视网与楼宇同轴电缆网的结点设备。其一端通过光纤分配网连接以太无源光网的光线路终端和有线电视前端，另一端通过住宅楼内的同轴电缆网连接家庭用户。实现一根光纤到楼、一根同轴电缆入户，提供双向数据和广播电视服务。
Description
技术领域
本发明属于宽带接入网的技术领域。把光纤接入网技术与同轴接入网技术在光纤到楼(FTTB)的条件下结合在一起，在楼头实现光载波到射频载波的转换，同时完成有线电视(CATV)广播信号的接收和基带以太数据到射频数据的转换。实现一种用于光纤接入网的多媒体住宅网关，通过树形同轴电缆网为住宅楼内的家庭用户同时提供有线电视广播和互联网服务。
背景技术
随着技术成本的持续下降、电信市场的日益开放以及以IP为代表的数据业务的爆炸式增长，网络的带宽与容量成为社会生活的紧缺资源。在国家信息基础构造中，连接千家万户的接入网成为带宽的瓶颈。
传统宽带接入网有光纤到路边(FTTC)+双绞线xDSL、光纤到馈点(FTTF)+同轴电缆Cable Modem和光纤到楼(FTTB)+5类线LAN。它们的铜介质部分限制了网络的带宽，因此尽可能延长光纤，缩短铜线就成了各种接入网技术发展的共同趋势，最终导致了FTTH(光纤到家)、FTTB(光纤到楼)热潮的发生。
FTTx的主要技术之一是以太无源光网(EPON)，它由置于局端的光线路终端(OLT)、外线无源光纤分配网(ODN)和置于用户端的光网络单元(ONU)组成。下行(从OLT到ONU)工作于1490nm波长，上行(从ONU到OLT)工作于1310nm波长，以上下行对称1.25Gb/s速率传输以太数据包。传输距离为最长20km，ODN的最大分支数为1∶32。ONU安装在用户家庭，系统为FTTH，ONU安装在大楼，系统为FTTB。
中国的国情是居民收入较低和城市居民绝大多数住公寓楼，因此FTTH难以普及，故FTTB必然是光纤接入网发展的主要方式。这里产生了一个问题，如何把楼头ONU输出的以太数据传输到住宅楼内的每家每户？以太数据通常是用5类线传输的，但是在旧的楼房难以加铺5类线。解决这个问题的自然设想是利用楼内已有的传输有线电视(CATV)的同轴电缆网来兼传以太数据，技术方案是在楼头把ONU输出的基带数据调制在射频载波上，与CATV射频信号混合后通过同轴电缆传输，到了用户家庭再作逆变换，还原出CATV信号和以太数据，分别交给电视机和电脑。在这里须解决如下几个技术问题：
1)如何进行频带划分，以便实现CATV射频信号与数据射频信号在同轴电缆上的频分复用？
2)采用何种数字调制体制把基带以太数据调制到射频载波上？
3)楼内同轴电缆网是一点到多点的网络，如何调度各个用户的上行传输，以避免同时传输的数据碰撞？
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关及方法，实现以太无源光网(EPON)与多媒体同轴网络(MoCN)的结合，结点设备是实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关。该网关的任务是把住宅楼内的家庭用户通过一个树形同轴电缆网汇聚到一点，再通过无源光分配网，与以太无源光网局端和有线电视前端相联，形成一种新型的宽带接入网，如图4。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
由OLT、ODN和ONU构成了以太无源光网(EPON)，在OLT与ONU之间通过1490nm/1310nm光波进行双向的以太数据通信。同时，由CATV前端、ODN和CATV光接收机构成了有线电视网，通过1550光波进行单向的电视广播。由于在CATV前端采用了WDM合波器，所以数据光波和电视光波已汇集在同一个ODN中传播而到达公寓楼，进入装设在楼头的多媒体住宅网关。
由多媒体住宅网关、楼宇同轴电缆网和各个家庭的客户终端构成了同轴接入网。多媒体住宅网关完成光波到射频载波的转换及数据与电视信号的汇集。首先外线光波被WDM分波器分成两路，一路1550nm光波被CATV光接收机转换为射频电视信号，经CATV放大器放大后，加到双工滤波器的低通输入端。另一路1490/1310nm双向光波加到/取自ONU的光收发器。该收发器连接ONU的MAC控制器，在那里产生双向以太数据信号。为了把基带数据信号叠加到同轴电缆上，先把它们连接到同轴电缆控制器(NC)，在那里以太数据被打包和被控制，再调制到射频载波上，通过同轴网络接口加到双工滤波器的高通输入端。电视射频信号与数据射频信号在双工滤波器中混合，最后加到楼宇同轴电缆网。
为了实现1550nm波长CATV光波与1490nm下行数据光波互不相扰，在理论上推导了数据通道光接收灵敏度(满足给定误码率所需的最小接收光功率)与CATV光波串入数据通道的光功率与数据光功率之比的定量关系，证明了为了使CATV光波串扰造成的数据光接收机灵敏度损失小于0.3dB，CATV串扰光功率应至少比数据信号光功率低11dB。这就是说WDM分波器的1490nm支路必须把1550nm CATV光波至少衰减31dB。普通的熔融拉锥型分波器的波长隔离度只有20dB。本发明设计了基于介质薄膜光滤波器的1490/1550nm分波器，达到了40dB的波长隔离度。
为了实现CATV射频信号与数据射频信号的频分复用，本发明采用图2所示的频率资源 分配。选取数据载波频段为975～1275MHz，而CATV载波频段为84～862MHz，两者之间有宽度为113MHz的过渡带，这样数据调制的射频信号和CATV射频信号就能容易地经双工滤波器混合，进入楼宇同轴电缆，又能容易地从家庭同轴电缆经双工滤波器分解出数据调制的射频信号和CATV射频信号。这种频段分割还避开了900MHz移动电话信号的干扰。以太数据可按照同轴网络的实际情况，选择在6个不同的频道中传输，中心频率分别为1000MHz、1050MHz、1100MHz、1150MHz、1200MHz和1250MHz，频道带宽为50MHz。
关于数据对射频载波的调制方式，本发明采用特种的正交频分复用(OFDM)方式-自适应星座图多载波调制(ACMT，Adaptive Constellation Multi-tone)。在50MHz频带内设置224个正交的子载波，每个子载波上的调制格式由同轴电缆控制器在PSK、QPSK、8～256QAM中根据该子载波的载噪比自适应地选用。这种数字调制/解调体制具有最强的抗干扰和抗衰落能力，使以太数据在同轴电缆上的传输十分可靠。
对于多个客户终端(CPE)到多媒体住宅网关的上行数据传输，为了避免数据碰撞本发明采用一种时分多址(TDMA)控制协议。控制中心是多媒体住宅网关中的同轴网络控制器(NC)，被控的CPE数最多为63。NC与CPE之间通过传送和解读MAC控制帧完成控制过程，包括CPE注册、链路维护、带宽申请与分配、发射功率控制和链路加密。为了CPE注册，NC周期地广播信标(Beacon)，给CPE提供注册时间窗口。为了给调制格式选择提供依据，NC不断发送探测射频信号(Probe)，由CPE给以应答，从而使NC能感知链路的载噪比。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关，包括从以太无源光网的光线终端和有线电视的前端来的外线光纤，以及同轴电缆接口，其特征在于其电路结构为：所述从以太无源光网的光线路终端和有线电视的前端来的外线光纤连接到一个波分复用分波器的公共端口，所述波分复用分波器的1550nm波长端口通过尾纤连接到一个有线电视光接收机，所述有线电视光接收机的射频输出端口连接到一个有线电视放大器，所述有线电视放大器的射频输出端口连接到一个双工滤波器；所述波分复用分波器的1490/1310nm波长端口通过尾纤连接到一个以太无源光网的光收发模块，所述光收发模块的两路差分线连接到一个光网络单元媒质访问控制器，所述媒质访问控制器的媒质无关接口连接到一个处理器；所述处理器的媒质无关接口连接到一个以太物理层芯片，以太物理层芯片通过平衡线圈连接到一个10/100兆以太网接口；所述媒质访问控制器的千兆媒质无关接口连接到一个同轴网络控制器；所述同轴网络控制器的媒质无关接口连接到所述处理器；同轴网络控制器还连接到一个同轴网络 接口芯片，同轴网络接口芯片连接到所述双工滤波器；所述双工滤波器的射频输出端连接到所述同轴电缆接口。
一种实现光纤与同轴电缆信号转换的方法，采用权利要求1所述的多媒体住宅网关进行信号转换，其特征在于信号转换步骤为：首先通过波长隔离度大于35dB的波分复用分波器将外线光纤光波分解成波长为1550nm和波长为1490/1310nm的两路；然后一方面通过有线电视光接收机将1550nm光波直接转换为有线电视射频信号；另一方面通过光收发模块的光探测器将1490nm下行光波转化为下行以太数据，同时用上行以太数据驱动光收发模块的激光器发出1310nm上行光波；再通过同轴网络控制器和同轴网络接口芯片把以太数据调制为975～1275MHz频段内的射频信号及从975～1275MHz频段内的射频信号解调为以太数据；同轴网络接口芯片采用了时分多址(TDMA)媒质访问控制协议，避免了多个客户终端向多媒体住宅网关发送上行数据时的数据碰撞；最后通过双工滤波器把数据射频信号与84～862MHz频段内的有线电视射频信号混合在一根同轴电缆上，传输到用户家庭；在楼宇同轴电缆网上有线电视射频信号与数据射频信号互不相扰，同时又避免受到900MHz移动电话信号的干扰；并且这是一种抗干扰性强的数字调制/解调射频传输方式，实现了自适应星座图多频调制方式，数据射频频道的带宽为50MHz，内含224个正交的可调制子载波，每个子载波上的调制格式(PSK，QPSK，8～256QAM)由NC动态选择。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明作为一种用于光接入网的多媒体住宅网关，实现了以太无源光网EPON与多媒体同轴网络MoCN的结合。可将住宅楼内的家庭用户通过一个树形同轴电缆汇聚到一点，再通过无源光分配网，与以太无源光网局端和有线电视前端相联，形成宽带接入网。本网关的对应网络设备是EPON的局端设备OLT，有线电视前端的光发发送机和光纤放大器，功能强大，能在楼宇同轴电缆中同时传输有线电视信号和以太数据信号，为家庭用户提供综合服务。本发明具有结构简单，组网灵活，成本低廉的特点，适于在广播电视网络中应用和推广。
附图说明
图1是多媒体住宅网关的硬件结构框图。
图2是多媒体住宅网关频率复用示意图。
图3是多媒体住宅网关在FTTB光纤/同轴接入网中的配置关系图。
图4是多媒体住宅网关在FTTB光纤/同轴接入网中的配置关系。
图5是FTTB光纤/同轴接入网总体示意图。
具体实施方式
本发明实现了一种用于宽带接入系统的新型多媒体住宅网关，具体的硬件架构详述如下：
图3是本发明图1多媒体住宅网关构成的具体实现框图。从EPON OLT和CATV前端来的外线光纤连接到WDM分波器2的公共端口1。WDM分波器2的1550nm端口3通过尾纤连接到CATV光接收机4，CATV光接收机4的射频输出端口连接到CATV放大器5，CATV放大器5的射频输出端口连接到双工滤波器19。WDM分波器2的1490/1310nm端口6通过尾纤连接到SFP光收发模块7，SFP光收发模块7的两路差分线连接到EPON的ONU MAC控制器芯片8，ONU MAC控制器芯片8的MII接口9连接到CPU芯片10。CPU芯片10的MII接口11连接到以太物理层芯片12，以太物理层芯片12通过平衡线圈13连接到10/100M以太接口14。ONU MAC控制器芯片8的GMII接口15连接到同轴网络控制器芯片16。同轴网络控制器芯片16的MMI接口17连接到CPU芯片。同轴网络控制器芯片16再连接到同轴网络接口芯片18，同轴网络接口芯片18再连接到双工滤波器19。双工滤波器的射频输出端连接到同轴电缆接口20。
采用的关键光收发模块、集成电路芯片的选型和功能如下：
SFP光收发器，型号：LTB3421，中国海信光电公司；功能：突发发送1.25Mb/s以太光信号，波长1310±50nm；连续接收1.25Mb/s以太光信号，波长1490±10nm。
EPON ONU MAC控制器芯片，型号：TK3715，美国Teknovus公司；功能：执行全部IEEE802.3EPON协议，完成光纤接入网的ONU注册、测距、带宽分配。在安全功能上实现关于三层搅动的中国信息产业部行业标准。在数据通道对CATV通道喇曼干扰的抑制方面，配合OLT的MAC控制器芯片(型号：TK3723)完成以太帧间随机字符的去除，空闲字符的恢复。具有GMII并行千兆以太接口，便于与同轴网络控制器芯片连接，发送和接收以太数据包。
同轴网络控制器芯片，型号：EN3211，美国Entropic公司；功能：执行c.LINK协议的MAC层和物理层数据部分，完成同轴网络的接入控制，包括CPE注册、链路维护、带宽申请与分配、发射功率控制和链路加密。向客户端发送时，将ONU发来的以太帧打成c.LINKMAC帧后再传输，从客户端接收时，将c.LINK MAC帧解析成以太帧再传输。传输时完成ACMT调制/解调的基带部分。
同轴网络接口芯片，型号EN1010，美国Entropic公司；功能：执行c.LINK协议的物理层的射频部分，即将来自EN3211的ACMT调制基带信号变换成射频信号再发给客户端，及将来自客户端的射频信号逆变换成ACMT调制基带信号再发给EN3211。射频频率和功率可调。
CPU芯片，型号：MPC8349E PowerPC处理器，美国Micetek公司；功能：具有533MHz 中心处理主频、128M RAM、8MNORFlash、2个GMII千兆以太接口、1个PCI总线、1个miniPCI接口。用于驱动EN3211同轴网络控制器芯片，连接TK3715ONU MAC控制器芯片。
本实现光纤与同轴电缆信号转换的方法，采用权利要求1所述的多媒体住宅网关进行信号转换，信号转换步骤为：首先通过波长隔离度大于35dB的波分复用分波器2将外线光纤光波分解成波长为1550nm和波长为1490/1310nm的两路；然后一方面通过有线电视光接收机4将1550nm光波直接转换为有线电视射频信号；另一方面通过光收发模块7的光探测器将1490nm下行光波转化为下行以太数据，同时用上行以太数据驱动光收发模块7的激光器发出1310nm上行光波；再通过同轴网络控制器16和同轴网络接口芯片18把以太数据调制为975～1275MHz频段内的射频信号及从975～1275MHz频段内的射频信号解调为以太数据；同轴网络接口芯片18采用了时分多址(TDMA)媒质访问控制协议，避免了多个客户终端向多媒体住宅网关发送上行数据时的数据碰撞；最后通过双工滤波器19把数据射频信号与84～862MHz频段内的有线电视射频信号混合在一根同轴电缆上，传输到用户家庭；在楼宇同轴电缆网上有线电视射频信号与数据射频信号互不相扰，同时又避免受到900MHz移动电话信号的干扰；并且这是一种抗干扰性强的数字调制/解调射频传输方式，实现了自适应星座图多频调制方式，数据射频频道的带宽为50MHz，内含224个正交的可调制子载波，每个子载波上的调制格式(PSK，QPSK，8～256QAM)由NC动态选择。
发明的应用
多媒体住宅网关符合实际的宽带接入网组网灵活的要求。它的ONU通过光纤与EPON的局端设备OLT通信，接入宽带城域网(MAN)。一个OLT可以最多连接32个多媒体住宅网关。每个多媒体住宅网关的同轴网络控制器(NC)通过一个树形同轴电缆网可以连接公寓楼内的最多63个客户终端(CPE)。这样一个前端就可以为最多2016个用户提供电视广播和双向数据业务。系统配置示意图如图4所示，可以按照实际的需要，选择多媒体网关和客户终端的数量，根据业务量的需要，进行灵活的组网。
最后形成的FTTB光纤/同轴接入网如图5所示。
Claims (2)
1.一种实现光纤与同轴电缆信号转换的多媒体住宅网关，包括从以太无源光网的光线终端和有线电视的前端来的外线光纤，以及同轴电缆接口(20)，其特征在于其电路结构为：所述从以太无源光网的光线终端和有线电视的前端来的外线光纤连接到一个波分复用分波器(2)的公共端口(1)，所述波分复用分波器(2)的1550nm波长端口(3)通过尾纤连接到一个有线电视光接收机(4)，所述有线电视光接收机(4)的射频输出端口连接到一个有线电视放大器(5)，所述有线电视放大器(5)的射频输出端口连接到一个双工滤波器(18)；所述波分复用分波器(2)的1490/1310nm波长端口(6)通过尾纤连接到一个以太无源光网的光收发模块(7)，所述光收发模块(7)的两路差分线连接到一个光网络单元媒质访问控制器(8)，所述媒质访问控制器(8)的媒质无关接口(9)连接到一个处理器(10)；所述处理器(10)的媒质无关接口(11)连接到一个以太物理层芯片(12)，以太物理层芯片(12)通过平衡线圈(13)连接到一个10/100兆以太网接口(14)；所述媒质访问控制器(8)的千兆媒质无关接口(15)连接到一个同轴网络控制器(16)；所述同轴网络控制器(16)的媒质无关接口(17)连接到所述处理器(10)；同轴网络控制器(16)还连接到一个同轴网络接口芯片(18)，同轴网络接口芯片(18)连接到所述双工滤波器(19)；所述双工滤波器(19)的射频输出端连接到所述同轴电缆接口(20)；网关的工作：1)通过同轴网络控制器(16)和同轴网络接口芯片(18)把以太数据调制为975～1275MHz频段内的射频信号及从975～1275MHz频段内的射频信号解调为以太数据；通过双工滤波器(19)把数据射频信号与84～862MHz频段内的有线电视射频信号混合在一根同轴电缆上；2)采用特种的正交频分复用方式——自适应星座图多载波调制，在50MHz频带内设置224个正交的子载波，每个子载波上的调制格式由同轴网络控制器(16)在PSK，QPSK，8～256QAM中根据该子载波的载噪比自适应地选用；3)同轴网络接口芯片(18)采用了时分多址媒质访问控制协议，避免了多个客户终端向多媒体住宅网关发送上行数据时的数据碰撞。
2.一种实现光纤与同轴电缆信号转换的方法，采用权利要求1所述的多媒体住宅网关进行信号转换，其特征在于信号转换步骤为：首先通过波长隔离度大于35dB的波分复用分波器(2)将外线光纤光波分解成波长为1550nm和波长为1490/1310nm的两路；然后一方面通过有线电视光接收机(4)将1550nm光波直接转换为有线电视射频信号；另一方面通过光收发模块(7)的光探测器将1490nm下行光波转化为下行以太数据，同时用上行以太数据驱动光收发模块(7)的激光器发出1310nm上行光波；再通过同轴网络控制器(16)和同轴网络接口芯片(18)把以太数据调制为975~1275MHz频段内的射频信号及从975~1275MHz频段内的射频信号解调为以太数据；同轴网络接口芯片(18)采用了时分多址(TDMA)媒质访问控制协议，避免了多个客户终端向多媒体住宅网关发送上行数据时的数据碰撞；最后通过双工滤波器(19)把数据射频信号与84~862MHz频段内的有线电视射频信号混合在一根同轴电缆上，传输到用户家庭；在楼宇同轴电缆网上有线电视射频信号与数据射频信号互不相扰，同时又避免受到900MHz移动电话信号的干扰；并且这是一种抗干扰性强的数字调制/解调射频传输方式，实现了自适应星座图多频调制方式，数据射频频道的带宽为50MHz，内含224个正交的可调制子载波，每个子载波上的调制格式PSK，QPSK，8～256QAM由NC动态选择。
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